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超聲波換能器原理

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發表時間:2019-05-23 10:57網址:http://www.cucumberpatchuk.com/h-nd-566.html

超聲波換能器的工作原理

超聲波換能器又叫超聲波振子,是超聲波焊接機的高頻機械振動源及作用,就是將超聲波發生器輸出的電能或者磁能轉換成相同頻率的機械振動,超聲焊接機用的換能器,目前有兩種,一種是,磁致伸縮型換能器,另一種是壓電陶瓷換能器

美式超聲波換能器,帶外殼保護套

磁致伸縮式換能器,由于效率低,性價比低,還需外加直流極化磁場,因此目前超聲焊接機已經很少使用。

壓電陶瓷換能器基本原理是建立在晶體材料的壓電效應基礎上的,這種材料為壓電晶體材料,在超聲焊接機主要用的是壓電陶瓷產量,這種材料在成熟外地發生形變時,在壓電陶瓷晶體表面,會出現電荷,晶體內部產生電場,反之,當晶體呈受外電場作用時,金片會發生形變,這種現狀稱之為壓電效應,前者稱正電效應,或者稱逆電效應。


超聲波換能器是超聲振動系統的核心部件,超聲波換能器設計的好壞,關系到焊接機工作的效率,穩定性及壽命等,在市場上采用大部分的壓電陶瓷換能器,按照振動形式區別種類很多,如徑向振動模式,縱向復合式振動模式,剪切振動模式,厚度振動模式等。超聲波塑料焊接機工作時加工塑料工件,需要的是高頻率的縱向振動。使得工件的上下模上下高頻振動融化焊接層得到焊接效果。

超聲波焊接振動系統原理示意圖



壓電換能器的結構:

壓電陶瓷換能器的結構,由壓電陶瓷晶片,電極片,前后蓋等組成。后蓋板一般用質量較大的鋼制成前蓋板由質量輕的,高強度鋁合金或者鈦合金制造而成,它是利用了壓電陶瓷的縱向效應器,陶瓷元件的極化方向,電場方向,機械振動方向,三者一致。這種換能器稱縱向復合振動換能器,它的長度方向尺寸遠大于它們的寬度。

超聲波換能器的振幅放大及分布

圖為國內外焊接機常用的政治使用圖與結構圖,圖中兩端是兩塊金屬蓋板,中間是壓電陶瓷元件堆,壓電陶瓷一般是縱向極化的帶孔圓片,一根應立螺桿,將這三部分緊固在一起著,稱為預應力螺桿。他只陶瓷元件,具有較大的抗壓強度,同時在大功率驅動下,陶瓷元件取壓縮狀態,從而避免膨脹所造成的破裂

夾心式超聲波換能器結構

這種換能器通過改變前后蓋的材料尺寸來控制換能器的頻率帶寬,前后增速比和有效機電耦合系數等性能參數。對于超聲焊接機來說,極諧振頻率(串并聯),,并聯阻抗、靜態電容,前和振速比等參數十分重要的。超聲焊接機常用的正向振動換能器是半波長換能器,1/4波長換能器用的比較少。

恒波超聲波塑料焊接機換能器

壓電陶瓷換能器的優點:

1.陶瓷元件大都是具有較大的抗壓強度,中心螺桿給予御用,另一方面在環境強度發生變化時增強,換能器的穩定性,另一方面確保原件在大功率驅動下取壓縮狀態,從而避免,陶瓷盤帳而造成的破裂,因為陶瓷材料的缺點是可允許的張應力小

一款美式高頻超聲波換能器結構圖

2. 因為中間的集合部分是由一組電極軸在兩端面的軸向極化圓環上組成,從而能用最大的有效耦合系數k33.

3. 圓環的數目及連接方式都有選擇余地,從而能較寬的阻抗及頻率范圍設計換能器

4. 改變首尾金屬蓋板的材料尺寸,能夠控制換能器的帶寬,前后振速比和有效機電耦合系數等性能參數

15khz 2600W超聲波換能器尺寸結構圖

變幅桿的類型及作用:

變幅桿又叫聚能器,在聲學系統中起著放大換能器輸出的振幅并耦合傳輸到工件的作用。各種錐形桿都可以作為變幅桿,設計各種變幅桿,共同目標是指變幅桿的自振頻率人,與換能器的推動頻率諧振,并在結構上考慮合適的放大倍數,低的傳輸損耗,以及自身具備的足夠機械強度。


變幅桿可分為縱向振動變幅桿,彎曲振動變幅桿,扭轉振動變幅桿,其中縱向變幅桿可分為簡單型,復合型。簡單型又可以分為指數型,圓錐型,懸鏈型,階梯形,而復合型由各種簡單型變幅桿,根據實際需要組合而成的。

各種復合型超聲波換能器

 由于在超聲波塑料焊接中負載是固體,在加工過程中,需要始終施加一定的靜壓力,而且負載也不斷發生變化,這種情況下不但要求變幅桿,要有足夠大的放大系數,而且要有較高的工作穩定性和足夠的彎曲勁度。用指數型變幅桿,懸鏈線型變幅桿,或其他,形式的復合型變幅桿比較合適,當不大要求很大的放大系數時,最好采用圓錐形變幅桿,或者是階梯形變幅桿,因為它們的彎曲勁度較大,工作穩定性高,而且便于外形加工。


超聲波變幅桿作用在疲勞條件下,設計師用重點考慮結構的強度,特別是聲學系統個夠,組員的連接部位,更是需要特別注意,材料的抗疲勞強度極窄,小震動是內耗式選擇變幅桿材料的主要依據,目前常用的材料有45號鋼,30CrMnSi超硬鋁合金以及鈦合金。


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